重型卡车后视镜气动声学实验研究

摘要

后视镜是车辆气动噪声中一个被大家熟知的来源。在本项研究中，我们关注的是重型卡车的后视镜，它们很大，通常在设计时没有将重点放在气动声学上，而且位于欧洲卡车垂直A柱上的一个难处理的位置上。我们为了设计出快速且经济有效的实验方法，开发了一种定制车辆，其中动力系统与驾驶室分离。这种车辆可以在标准的测试轨道上运行。在进行测试时，对风速进行监测，然后在后期处理中对所有变化进行修正，求出一段时间的平均值。为了进行镜像测试，车门被特殊调整，以减少除侧窗之外的其他传输路径进入驾驶室。此外，其他可能的空气声源也尽可能地减少，通过在后视镜(尾流)和窗户上的表面麦克风监测产生的风噪声。此外，在驾驶室内安装麦克风阵列，车窗上也安装了测速计。首先，该方法是使用虚拟镜评估，是一个斯特劳哈尔音调发生器，然后对实际的后视镜进行测试。可以看出，虽然流体动力湍流噪声在窗口表面麦克风处占主导地位，但驾驶室内部实际听到的噪声声源是后视镜与A柱周围分离产生的并以声速在窗口形成对流。

前言

如图一所示，实验装置是利用声学摄像机捕捉欧洲重型卡车内部的声压级(SPL)。主要的贡献来自A柱周围区域和后视镜。摄像头显然只能监测驾驶室内部的声压级，即经过驾驶室结构过滤后的风噪声。它不能告诉我们任何关于源机制的信息。然而，最近的研究表明有两种类型的产生方式：

1.水动力(不可压缩)扰动以平均流量级的速度对流。

2.声波(可压缩的)干扰以声速对流。通常源自A柱和后视镜周围的流分离。

尽管第一种有更高的振幅，但其传播速度并不“匹配”由侧玻璃给出的空间滤波器，仅在低频时起显著作用。之前的研究表明，乘用车的切截断频率通常是500Hz左右。

这表明，图1中看到的热点应该是由于A柱和后视镜周围的流动分离造成的，从而产生了与偶极子对应的波动力。根据Curle对经典的Lighthill声学类比的扩展，将固体边界包括在内，来自此类源的声功率应按比例计算为Wdi~U6。对于更高的速度，就像乘用车而不是卡车一样，人们也会看到尾流中的湍流，对应于四极型源Wquad~U8。这些著名的标度定律假设声源区域是紧凑的，也就是说，物理尺寸比声波长小得多。这在我们将要研究的频率范围上部是不一致的，但至少在那里也可以作为一个很好的指导方针。由不可压缩部分给出的压力波动的标度不太为人所知，对于低频，能量含量是由大规模的流动分离给出的，很难推广，它与几何形状有关。在微尺度区域，我们可以尝试标度定律，但这需要对流场的详细了解，我们在这里根本无法了解。

本研究的基本目的是为数值模拟的验证提供一个数据库。公开的测量数据很少，与卡车相关的数据集更是罕见。其中一个原因是测量的实际难度和成本。理想情况下，测试是在空气声学风洞中进行的，但世界上只有少数几个风洞能够容纳一辆满载的卡车。因此，开发了一种替代测试方法，使用定制的车辆，使用除风以外的其他噪声源，然后仔细监测实际风况、风速和偏航角，从长时间序列中选择相关数据。

为了评估该方法并进一步理解源机制，测试了三种不同的设置。首先，完全没有镜子，然后一个简单的圆柱体，遵循标准镜子的相同包络面，这是最终的样品。圆筒被用作校准器，因为它产生一个已知频率f的独特音调。频率和速度通过斯特鲁哈数字[7]联系起来:

其中，L是装置中的特征长度(这里是圆柱体的直径)，U是自由流的平均速度。

实验装置

实验车辆如图2所示。它是一个安装在公共汽车底盘上的卡车驾驶室。因此，发动机是后安装的，有效地消除了测量内部噪音测时所有进气、排气和动力系统的噪音。为了减少除后视镜和A柱外的其他风噪声源，驾驶室的其余部分被粘上或密封(例如前格栅)。室内噪声建模的一个问题是门和侧窗边界条件的不确定性，为了减小这个问题，乘客侧门被严重阻尼，也安装到正确位置。窗户本身也被夹在门框里，以尽量减少橡胶密封对效果的影响。

我们测试了三种不同的设置情况:一种是完全没有后视镜(如图2所示)，一种是在量产车上的标准镜子，还有一种“假”情况，其中镜子用钢管弯曲而成，形状类似于信封如图3。

在侧窗表面，麦克风以两个网格图案放置如图4。它们将作为更精细网格模拟的参考点，以便能够分别以平均流速和声速在传播之间进行分离。在这里，我们将研究大网格的结果，其麦克风在图4中编号。从图中的插图中可以看出，这些插图取自模拟，我们预计侧窗上五个位置之间的响应会有所不同。前面的两个(1&8)暴露在A柱和后视镜给出的涡流结构中，而在其他三个位置(6、7&9)重新连接流动。在实际镜子(pos10)的尾流侧表面还放置了一个麦克风。这个麦克风没有暴露在窗户上看到的湍流边界层，并且应该随着速度而不同地缩放。在与表面麦克风相同的位置，在内部有加速度计（在玻璃上）和两个麦克风阵列（距离玻璃35和90毫米）。最后对驾驶员和乘客耳朵位置的声压级进行监测。

也许最重要的特征是超声波风速传感器，其支架可以在图二的驾驶室顶部(灰色金属杆)看到。传感器记录了车辆速度和实际风速的综合效应，根据记录的车辆速度，可以计算出风的贡献。图5显示了一个示例。它是在测试跑道上运行5分钟的数据，数据被切割成一秒钟的片段并进行单独研究。由于车速占主导地位，总偏航角的变化小于±5度。通常在风洞测量中，测试的偏航角不超过±10度。实际上，这里的一个优点是，典型的侧风问题也可以研究，只需选择适当的数据块。在后期处理中，选取与相关风况对应的数据块，并求其平均值。如果没有另外说明，“风偏航”角度<±30°和风速<3米/秒被用作样品的验收标准。

为了进一步验证风的测量，使用了假镜测试案例。它产生了一个明显的斯特鲁哈尔音调，如介绍中所示，应该在St~0.2看到。使用了三种行驶速度（70、85和90公里/小时）的数据，监测每段数据的峰值频率和实际总风速。如图6所示，结果与理论非常一致(在雷诺数范围内，实际上应该是St = 0.198)且样本之间的差异很小。结果表明，安装在顶棚上的风速监测仪能很好地反映后视镜处的平均风速。

结果

首先我们研究窗户上大网格位置的外部和内部声音，见图7。正如预期的那样，最下游的三个表面麦克风显示了几乎相同且稳定的响应。靠近A柱的两个麦克风更特别，它们在低频时都有更高的振幅，这可能是由A柱周围的气流分离产生的大尺度涡引起的，但底部的1号麦克风下降得相当快。从模拟中我们看到，从A柱周围分离出来的涡流正在轻微地向上传播。可能会避开1号麦克风，但会通过8号麦克风。

镜子上的10号麦克风，没有受到平均流量的影响，显示出一个低振幅的特性，更好的代表了镜子周围源区域声学。最后，虽然我们在不同的位置上有显著不同的“激发”光谱，但内部的声压级在所有位置上几乎是相同的。因此，动水压力的波动并不是驱动内部声场的因素。我们将在后面通过引言中提出的比例定律进一步研究这一点。

接下来，在图8中比较了三个不同的测试用例——无后视镜、标准后视镜和假后视镜，无后视镜和假后视镜的情况非常相似。由于圆柱体对主要流动结构的影响不大，因此表面麦克风的响应与无镜面情况基本一致。虽然哨声被内部的麦克风清楚地记录下来但却没有被表面的麦克风检测到，它藏在水动力波动之下。

标准后视镜的引入导致了从几百赫兹开始的宽带贡献。在较低的频率下，表面麦克风的振幅与无镜和假镜情况相似，这可能也是由A柱周围的分离给出的。宽频带流体动力的贡献由后视镜处各种尺度涡脱落导致，见图4中的插图。即使没有镜子，放置在镜子上的表面麦克风的振幅也低于窗户上的表面麦克风的振幅。反射镜对内部声音的贡献也是宽带的，这是由脱落涡驱动的声学分量。

假后视镜的哨声的宽度是由于风速略有变化的大范围样本上的平均值。如果对每个样本中的风进行补偿，如图6所示，峰值会更尖锐。也就是说，我们应该画出斯特劳哈尔数。

塌陷因子(与声功率或~p2有关)见图9和图10。它们的计算是为了求成本函数C(x)的最小值，其中x是塌陷因子，N是我们在以下情况下测试的不同车速的数量：

在所有情况下，很明显，由窗户上的表面传麦克风监测的流体动力贡献不同于内部声学麦克风。流体动力部分以U为2到4次方进行缩放，而内部麦克风一般以U到6次方的方式缩放，对应于引言中讨论的偶极子。

无后视镜和假后视镜在中低频段表现得很特殊，它们的初始塌陷因子接近6，然后在500-700Hz之间下降，然后在2 kHz时几乎线性增加到6。此外，考虑到与图8所示的麦克风上非常相似的振幅，流体动力部分的塌陷因子确实差异很大。

标准后视镜的情况更简单。内部麦克风的稳定塌陷因子在6到7之间。在这里，我们还可以使用后视镜上附加的麦克风来研究外部环境。实际上，它的比例与窗口表面麦克风1非常相似，高达2千Hz。然后它们发散，窗户一稳定在因子2附近，而后视镜一向偶极子现象线性增加。声学对频率的贡献似乎越来越占主导地位。然而，这并不是故事的全部。观察网格中的所有位置(如图11所示)，可以发现内部麦克风的缩放比例都是相似的，而同样位置上的表面麦克风之间的响应再次显示出较大范围变化，塌陷因子从2到4。

最后，利用所得塌陷因子的平均值，可以计算出归一化光谱。这样做的目的是为了说明它们如何在频率上得到最好的归一化。在图12中绘制了基础后视镜的归一化光谱。在上图中和斯特鲁哈数之间，外部数据很好地折叠了，但没有内部数据。在使用频率的底部图中，外部的没有折叠，但是内部的却很完美。这是由于窗户具有较强的空间滤波效应，与之前的观测结果一致。

结论

作为风洞实验的补充，这种替代实验装置被证明是稳定的，而且是一种获取数据节省时间和成本高效的方法。它需要高质量的风的测量，对天气和道路状况很敏感。例如，潮湿的表面会导致显著且不一致的额外轮胎噪音测量。但在良好的天气条件下，它是一致的，并提供了与风洞测量经验相一致的结果。

假后视镜的哨声以预测的频率出现，并确认风传感器的读数是相关的后视镜周围的实际风速。

测量实验证实了最近研究的共识，即除了低频外，内部声级的激励是可压缩的(声学)扰动，它们以声速传播。例如，假后视镜的哨声在驾驶室中可以清楚地听到，并通过内部麦克风进行记录，但在表面麦克风中检测不到，其中声学成分隐藏在较大的流体动力成分下。此外，内部麦克风的声压级随着速度受到偶极子类型的声源的影响，而表面麦克风都以较低的系数进行缩放。

窗户口的强空间滤波效应使频谱的宽频部分随频率的变化而折叠，表明存在某种扩散声激发场。唯一注意到的例外是，需要斯特劳哈尔数补偿的虚拟后视镜明显与风速相关的哨声。

本文得到的结果与报道中的某客车的结果相似。这里和参考文献中都没有给出绝对值。但是，外部流体动力学谱和内部声谱的形状非常吻合。因此，尽管A柱的角度明显不同且卡车后视镜更大，但窗口给出的控制长度尺度和声学滤波器似乎是相同的数量级。

文章来源：Karlsson, M., Larsson, R., Ågren, T., and Chroneer, Z., “Aeroacoustics of Heavy Duty Truck Side Mirrors-An Experimental Study,” SAE Technical Paper 2018-01-1516, 2018, doi:10.4271/2018-01-1516.